張亞波，閆海卿，胡雷雷，范超峰，王月飛，胥歡，劉斌

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054;2.河南省第三地質(zhì)勘查院, 河南 洛陽 471023 )

中亞造山帶是當(dāng)前國際造山帶研究熱點之一,中亞造山帶的形成與古亞洲洋及其陸緣的演化密切相關(guān)(王廷印等,1992,1993a,1993b,1994,1998；吳泰然等，1993；王金榮等，1995；左國超，2003；XIAO WJ，2009；LEHMANN J，2010；閆海卿等，2012)。銀根-額濟納晚古生代盆地的形成與演化，因為發(fā)現(xiàn)有大量油氣貯藏而備受關(guān)注(趙省民，2010；姜亭等，2011；黨犇等，2011；卜建軍，2013)。前人研究成果以討論造山帶的構(gòu)造體系和古亞洲洋閉合時間為主，對于晚古生代盆地研究更加關(guān)注的是石炭紀(jì)—二疊紀(jì)盆地沉積相與油氣儲層的關(guān)系。對石炭紀(jì)火山巖研究的成果較少，而且多為晚石炭—早二疊世的火山巖研究成果。額濟納旗地區(qū)早石炭世火山巖出露有限，第四系覆蓋嚴(yán)重，制約了基礎(chǔ)地質(zhì)研究，目前尚未檢索到早石炭世火山巖噴發(fā)序列和構(gòu)造背景的研究文獻。筆者在1∶5萬區(qū)域礦產(chǎn)調(diào)查的過程中對拐子湖地區(qū)火山巖進行了系統(tǒng)的剖面測制和巖石化學(xué)樣品的采集分析，并對火山巖的形成時代進行了論證，取得了初步研究成果，對中亞造山帶中段塔里木板塊的石炭紀(jì)構(gòu)造背景提出自己的認(rèn)識供研究者討論。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

下古生界的構(gòu)造背景存在爭議，一種觀點認(rèn)為古亞洲洋南次洋盆在泥盆紀(jì)即已閉合，石炭紀(jì)—二疊紀(jì)處于板內(nèi)裂谷環(huán)境，廣泛發(fā)育雙峰式火山巖噴發(fā)和堿性花崗巖侵位(田昌烈等，1989；鮑慶中等，2007a，2007b)；另一種認(rèn)為古亞洲洋南次洋盆在二疊紀(jì)閉合(WANG Q ，1986； XIAO W J et al.，2003； LI J Y，2006)，塔里木板塊東北緣處于活動性大陸邊緣。

研究區(qū)變質(zhì)基底為下元古界北山群角閃片巖、黑云斜長片麻巖角閃巖相變質(zhì)巖系，長城系古硐井群千枚巖、石英片巖等綠片巖相變質(zhì)巖系；蓋層為石炭系綠條山組淺海陸棚碎屑巖和白山組火山巖，二疊系雙堡塘組淺海陸棚相-扇三角洲相碎屑巖、三疊系珊瑚井組陸相河-湖碎屑巖-泥巖建造，各地層之間較少直接接觸，多為巖漿巖包圍。白堊系烏蘭蘇海組呈不整合超覆在前白堊系之上。由于地處巴丹吉林沙漠北緣，風(fēng)成沙分布廣泛，基巖出露不好。 區(qū)內(nèi)晚華力西期中酸性巖漿活動較強烈,與石炭紀(jì)地層呈侵入接觸(圖1B)。在研究區(qū)東部有肉紅色中粒鉀長花崗巖株侵入到白山組火山巖中(圖1C)。

①.雅干斷裂；②.恩格爾烏蘇斷裂；③.巴丹吉林?jǐn)嗔?；?狼山斷裂1.白山組火山巖;2.綠條山組砂巖;3.鉀長花崗巖;4.二疊系花崗巖;5.白堊系6.第四系;7.國界;8.剖面;9.斷裂;10.鋯石采樣位置;11.縣、市位置;12.居民點;A.區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)吳泰然，何國琦1993)； B.Ⅵ號和Ⅷ號剖面地質(zhì)簡圖； C.Ⅲ號剖面地質(zhì)簡圖圖1 (A)內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗地區(qū)大地構(gòu)造位置及(B)、(C)區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.1 (A)Geological tectonic location and (B)、(C)sketch map of regional geological Ejinaqiarea in the Inner Mongolia Autonomous Region

2 石炭系白山組火山巖地質(zhì)特征

2.1 研究區(qū)白山組實測剖面描述

白山組火山巖主要分布在研究區(qū)的北東部，地層出露較少，主要為一套中酸性火山巖，屬于海相火山巖，其中見夾雜多層不等厚的碎屑砂巖等沉積夾層。下部為綠條山組的一套巖屑砂巖，二者呈整合接觸。

上覆地層：第四系紅色砂礫層

-------- 第Ⅴ噴發(fā)旋回 --------

43.灰色-淺紅色流紋質(zhì)火山角礫巖

44.42m

42.灰綠色杏仁狀玄武巖

78.01m

41.深灰褐色碳酸鹽化安山巖

143.64m

-------- 第Ⅳ噴發(fā)旋回 --------

40.暗灰色中細粒巖屑長石砂巖

123.21m

39.淺青灰色流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r

19.61m

38.深灰色中細粒巖屑砂巖

52.73m

37.灰白色流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r

5.42m

36.深灰色細粒硅化巖屑長石砂巖

74.42m

35.深灰色細粒長石巖屑砂巖

84.51m

34.淺青灰色弱硅化泥晶灰?guī)r

8.76m

33.淺灰色中細粒巖屑砂巖

31.55m

32.淺褐色弱碳酸鹽化安山巖

11.89m

-------- 第Ⅲ噴發(fā)旋回 --------

31.淺灰色碳酸鹽化閃長玢巖

9.83m

30.灰白-淺褐色晶屑玻屑凝灰?guī)r

1.51m

29.深褐色碳酸鹽化中細粒巖屑砂巖

70.87m

28.淺青灰色褐鐵礦化弱熔結(jié)角礫凝灰?guī)r

60.90m

27.淺褐色褐鐵礦化閃長玢巖

4.02m

26.淺灰色晶屑玻屑凝灰?guī)r

4.02m

25.深灰色細粒巖屑砂巖

18.10m

24.淺灰色杏仁狀安山巖

2.01m

-------- 第Ⅱ噴發(fā)旋回 --------

23.深灰色細粒長石巖屑砂巖

82.77m

22.淺褐色閃長玢巖

6.00m

21.深灰色細粒巖屑砂巖

79.97m

20.深灰色致密塊狀泥晶灰?guī)r

2.69m

19.深灰色細粒巖屑砂巖

86.87m

18.深灰色致密塊狀巖屑砂巖

102m

17.深灰色石英閃長玢巖

50.00m

16.深灰色細粒-粗粉砂質(zhì)巖屑砂巖

83.71m

15.灰白-深灰色碳酸鹽化流紋質(zhì)火山角礫巖

2.77m

14.淺褐色蝕變黑云母英安巖

9.60m

13.淺灰色細粒長石巖屑砂巖

18.27m

12.深灰色細粒巖屑砂巖

58.71m

11.深灰色中細粒巖屑砂巖

85.2m

10.淺灰色玄武質(zhì)安山巖

10.94m

第Ⅰ噴發(fā)旋回

9.深灰色細粒巖屑砂巖

37.56m

8.灰色中細粒巖屑砂巖

17.88m

7.碳酸鹽化流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r

40.07m

-------- 整合接觸 --------

綠條山組

6.深褐色細粒薄-中層巖屑砂巖

19.50m

5.深灰色細粒中層巖屑砂巖

18.16m

4.淺褐色中厚層含礫巖屑砂巖

1.82m

3.深灰色中細粒巖屑砂巖

9.08m

2.灰色中細粒巖屑砂巖

1.55m

1.紫紅色砂巖

9.58m

-------- 未 見 底 --------

2.2 白山組火山巖巖石學(xué)及巖相學(xué)特征

研究區(qū)白山組石炭紀(jì)火山巖以中酸性火山巖為主，基性火山巖不發(fā)育，主要巖石特征如下。

杏仁狀安山巖：斑狀結(jié)構(gòu)，杏仁狀構(gòu)造(圖2B)。斜長石斑晶，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，長0.8～1.2 mm，寬0.2～0.6 mm，可見聚片雙晶，還有少量角閃石斑晶；基質(zhì)具?；豢椊豢椊Y(jié)構(gòu)，長石無定向分布，其他少量堿性長石和石英呈微晶充填于基質(zhì)斜長石粒間，構(gòu)成霏細交織結(jié)構(gòu)，后期巖石局部發(fā)生綠簾石化。杏仁體主要有石英綠泥石充填，0.4～2.2 mm?？煞譃?期充填，由外到內(nèi)依次為：他形微粒石英、綠泥石及最內(nèi)部結(jié)晶較好的石英。杏仁體部分發(fā)生絹云母化?；|(zhì)為間隱結(jié)構(gòu)有結(jié)晶礦物也有玻璃質(zhì)，礦物為小顆粒輝石后期蝕變?yōu)榫G泥石，也可見角閃石斑晶后期完全蝕變?yōu)榫G泥石。

流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r：凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。石英晶屑(10%)、長石晶屑(5%)、玻屑(48%)及隱晶質(zhì)基質(zhì)(27%)。單偏光下可見雞骨狀、弧灣狀(圖2C)80%的火山碎屑物，粒徑<2 mm，棱角狀，可見石英脫玻化形成霏細脫玻結(jié)構(gòu)，碎屑被火山灰等膠結(jié)在一起，后期凝灰?guī)r分解產(chǎn)生綠泥石及方解石次生礦物。

火山角礫巖：由流紋質(zhì)基質(zhì)和火山角礫構(gòu)成?；◢弾r及安山巖火山角礫(55%)粒徑為2～6 mm，分選性差，棱角狀-次棱角狀，花崗巖角礫可見他形粒狀石英，安山巖角礫可見?；豢椊Y(jié)構(gòu)。

灰白-灰褐色硅化英安玢巖：斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為自形板狀斜長石，粒徑為0.6～2.3 mm,聚片雙晶發(fā)育同時發(fā)生強烈的碳酸鹽化(圖2D)。基質(zhì)為石英、斜長石和鉀長石的微細晶，粒徑為0.01～0.15 mm，石英呈他形-半自形粒狀，表面有塵土狀含氣液包體。斜長石呈長條狀分布于石英粒間多發(fā)生絹云母化。鉀長石呈他形粒狀，發(fā)生強烈的高嶺土化。巖石后期發(fā)生強烈的硅化，石英顆粒細小表面光滑無包體，顆粒間呈縫合線接觸。

2.3 噴發(fā)相與噴發(fā)旋回劃分

2.3.1 噴發(fā)相劃分

根據(jù)火山巖的巖石特征和火山巖的產(chǎn)出狀態(tài)，可以將白山組火山巖劃分為4個相：爆發(fā)相、溢流相、次火山相及火山沉積相。

白山組火山巖以中酸性巖漿為主，多數(shù)為流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r，見7、26、28、30、37及39層；有2次噴發(fā)相為火山角礫巖(圖2A)，可見15和43層，后者厚度明顯比前者大爆發(fā)作用更強烈。溢流相主要巖性為杏仁狀安山巖、玄武質(zhì)安山巖及杏仁狀玄武巖(圖2B)，可見10、24、32、41及42層，整體來看，溢流相巖層厚度明顯比爆發(fā)相大，并且從早到晚有遞增趨勢。次火山相以蝕變黑云母英安玢巖、石英閃長玢巖和閃長玢巖為主，無明顯規(guī)律。碎屑沉積相頻繁發(fā)育在火山活動的間歇期，剖面上共有17層巖屑砂巖、巖屑長石砂巖及少量泥晶灰?guī)r。

q.石英；pl.斜長石；ch.綠泥石；A.爆發(fā)相的火山角礫(正交光下×10倍)；B.溢流相的杏仁體(正交光下×10倍)；C.晶屑玻屑凝灰?guī)r(單偏光下×20)倍；D.次火山相的英安玢巖(正交光下×20倍)圖2 白山組火山巖顯微照片F(xiàn)ig.2 Microphotographs of the volcanic rocks in the Baishan Formation

2.3.2 噴發(fā)旋回劃分

依據(jù)火山噴發(fā)相及噴發(fā)頻率等特征，判斷白山組火山噴發(fā)旋回屬于復(fù)雜火山噴發(fā)旋回(胡治華,2013)。同時根據(jù)火山噴發(fā)的不同方式、強度、火山噴發(fā)間歇期及火山巖巖性特征，將研究區(qū)白山組火山噴發(fā)旋回從早→晚劃分為5個火山旋回(見剖面巖性描述)。各噴發(fā)旋回特征如下。

第1個旋回巖性:碳酸鹽化流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r，第7層，厚度40.07 m。

第2個旋回巖性：淺灰色玄武質(zhì)安山巖→黃白-深灰色碳酸鹽化流紋質(zhì)火山角礫巖，10～15層，厚度13.71m。

第3個旋回巖性：淺灰黑色杏仁狀安山巖→黃白-淺褐色流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r，24～30層，厚度68.44 m。

第4旋回巖性：淺褐色弱碳酸鹽化安山巖→淺青灰色流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r。32～39層，厚度36.92 m。

第5旋回巖性：深灰褐色碳酸鹽化安山巖→流紋質(zhì)火山角礫巖，41～43層，厚度266.07 m。

在每個旋回中夾雜著多層陸源碎屑巖，與火山巖呈不等厚互層產(chǎn)出?？梢悦黠@看出第Ⅱ到第Ⅳ旋回都是從中基性向酸性逐漸演化，由于地層出露不全導(dǎo)致第Ⅰ旋回不完整，第Ⅰ旋回只有流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r，并無演化；并且從溢流相開始到噴發(fā)相結(jié)束，整體來看火山噴發(fā)頻率越來越高，火山巖厚度越來越大，噴發(fā)間隙越來越少，也就是說每個火山噴發(fā)旋回的噴發(fā)過程是從弱到強的漸變過程。

2.4 巖石地球化學(xué)特征

白山組火山巖共采集了16個火山巖樣品，樣品由長安大學(xué)成礦作用及動力學(xué)開放研究實驗室分析，分析數(shù)據(jù)見表1、表2、表3,巖石化學(xué)參數(shù)見表4。

巖石化學(xué)樣品在TAS圖解(圖3)上分別落入安山巖、英安巖和流紋巖區(qū)域。樣品的SiO2含量為57.58%～78.13%，屬于中酸性巖石范疇，Al2O3含量較高,為13.75%～17.47%，全堿(Na2O+K2O)含量為4.31%～8.12%。屬于富鋁鈣堿性火山巖(圖 4)。隨著SiO2含量的增加，Mg2O、CaO、TiO2、Al2O3、TFe2O3和MnO均呈負(fù)相關(guān)，只有Na2O和K2O正相關(guān)性不太明顯。說明巖漿存在結(jié)晶分異，巖漿的分異演化很明顯(圖5)。

表4 白山組火山巖參數(shù)計算表Tab.4 Calculated contents of parameters in the Baishan Formation volcanics

圖3 白山組火山巖TAS圖解(據(jù)LE Bas et al.1986)Fig.3 The TAS diagram of the volcanic rocks in the Baishan Formation

圖4 白山組火山巖的硅堿圖解Fig.4 The SiO2-Na2O+K2O diagram of the volcanic rocks in the Baishan Formation

圖5 白山組火山巖Harker圖解(據(jù)HARKER A，1909)Fig.5 The Harker diagram of the volcanic rocks in the Baishan Formation

稀土元素特征：稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖(圖6)顯示，曲線整體呈右傾型，輕稀土富集型。稀土元素總量變動較大，ΣREE=54.23× 10-6～241.46× 10-6，ΣLREE /ΣHREE=2.91～13.55，輕重稀土分餾明顯，( La /Yb)N=2.17～22.25，顯示出巖漿經(jīng)歷了高程度的結(jié)晶分異演化。δEu=0.55～0.94，表現(xiàn)出弱負(fù)異常，可能與巖漿演化過程中斜長石分離結(jié)晶有關(guān)。

圖6 白山組火山巖微量元素大洋中脊花崗巖標(biāo)準(zhǔn)化圖解(據(jù)PEARCE et al.，1984)Fig.6 Standard granite ridge trace elements patterns in the ocean for the volcanic rocks in the Baishan Formation

微量元素特征：微量元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖7)顯示，強烈虧損P、Ti，弱虧損Nb、Ta、 Sr；富集 Ba、Th等大離子親石元素。

圖7 白山組火山巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解(據(jù)SUN et al.，1989)Fig.7 Chondrite-normalized REE-pattern for the volcanic rocks in the Baishan Formation

3 討論

3.1 白山組火山巖地層時代討論

3.1.1 白山組區(qū)域?qū)Ρ燃跋鄬r代

3.1.2 花崗巖株同位素年齡

研究區(qū)內(nèi)有花崗巖株侵入到白山組火山巖地層中，其成巖年齡可以指示地層形成年代的上限。樣品采自永紅大隊，地理坐標(biāo)X:4 597 800 Y:311 290。鋯石的陰極發(fā)光在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室完成，LA-ICP-MS數(shù)據(jù)實在長安大學(xué)成礦作用及其動力學(xué)實驗室完成。鋯石呈長柱狀，長寬比多介于1∶2到1∶3，陰極發(fā)光CL圖版(圖8)具有明顯的環(huán)帶構(gòu)造，鋯石檢測結(jié)果顯示，U-Th、U-Pb*(Pb*為放射性成因鉛)、Th-Pb*之間以及Th與Th/U值之間均呈正相關(guān)性(圖9)，表明其均為巖漿作用形成的鋯石。

在鋯石U-Pb年齡208Pb/238U諧和圖中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)分析點都落在諧和線上或者附近，208Pb/238U加權(quán)平均年齡見圖10。從侵入白山組花崗巖的LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡(333.5±3 Ma可知其屬于早石炭世晚期的巖漿巖。根據(jù)巖漿巖與地層的侵入關(guān)系，判定白山組火山巖地層應(yīng)早于(333.5±3) Ma形成，可以推定形成時代大致為早石炭世早—中期(大約為Mississippian世Visean階)。

表5 北山地層分區(qū)石炭系劃分與沿革表Tab.5 Stratigraphic classification and evolution of Caboniferous system of stratigraphic subregion of Beishan

圖8 白山組中花崗巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.8 CL images of the Granite zircons in the Baishan Formation

圖9 白山組中花崗巖鋯石成因判別圖Fig.9 Discrimination plots for zircon genesis of granite in the Baishan Formation

圖10 白山組中花崗巖鋯石U-Pb加權(quán)平均年齡圖和諧和年齡圖Fig.10 Weighted average and concordia diagrams of granite zircon U-Pb dating age in the Baishan Formation

3.2 大地構(gòu)造背景討論

下石炭統(tǒng)白山組火山巖的構(gòu)造環(huán)境爭議較大。有認(rèn)為石炭紀(jì)主要是拉伸作用形成斷陷盆地(王廷印等1993)；有認(rèn)為阿拉善北部及其鄰區(qū)石炭紀(jì)火山巖形成于板內(nèi)裂谷環(huán)境，且可能與地幔柱事件有關(guān)，巖漿在上升過程中受到地殼物質(zhì)不同程度的混染(黨犇，2013)；有認(rèn)為屬于大陸邊緣裂谷(周立發(fā)等，1992)；也有認(rèn)為白山組火山巖是島弧環(huán)境(邵積東，1998)。筆者對研究區(qū)白山組火山巖巖石地球化學(xué)進行分析，顯示該套火山巖為亞堿性系列(圖4)，其利特曼指數(shù)δ均小于4(表4)，均為鈣堿性巖石系列；當(dāng)大量出現(xiàn)鈣堿系火山-巖漿巖,TiO2含量偏低(平均值小于1%),Ti/Y值小于500,暗示巖石形成過程中有消減帶流體的強烈卷入(夏林圻，2011)。巖石長英指數(shù)FL、分異指數(shù)DI、鐵鎂指數(shù)M/F高，固結(jié)指數(shù)SI低，表明巖漿演化徹底，分離結(jié)晶程度越高。

稀土元素配分呈右傾型，輕重稀土元素分餾明顯(ΣLREE/ΣHREE=313.8)，具有會聚型板塊邊界巖漿演化的特點。微量元素大洋中脊花崗巖標(biāo)準(zhǔn)化配分特征顯示，Ta、Nb、Ce、Hf、Sm、Zr、Y、Yb等元素含量低，并且低于標(biāo)準(zhǔn)洋脊花崗巖，具有火山弧花崗巖特征(李昌年，1992)。常量元素具有富鋁，富堿，貧鈦,與安第斯火山弧火山巖特征相似。另外，研究區(qū)火山巖Rb-(Y+Nb)構(gòu)造環(huán)境判別圖解和Nb-Y構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖11)中樣品均落入火山弧環(huán)境中；里特曼-戈蒂里圖解中樣品均落入造山區(qū)(圖12)。結(jié)合綠條山組和白山組沉積建造-淺海陸棚相碎屑巖建造，推斷白山組火山巖的大地構(gòu)造背景應(yīng)屬于大陸邊緣火山弧環(huán)境，早石炭世研究區(qū)構(gòu)造屬性應(yīng)該為活動性大陸邊緣。

VAG.火山弧花崗巖；Syn-COLG.同碰撞花崗巖；WPG.板內(nèi)花崗巖；ORG.洋中脊花崗巖圖11 白山組火山巖(Y+Nb)-Rb和Y-Nb構(gòu)造環(huán)境判別圖解(均據(jù)PEARCE等，1984)Fig.11 (Y+Nb)-Rb and Y-Nb tectonic discrimination diagrams for Baishan Formation volcanics

圖12 白山組火山巖logδ-logτ構(gòu)造判別圖解(A.RITTMANN，1973)Fig.12 The logδ-logτ tectonic discrimination diagrams for Baishan Formation volcanics

4 結(jié)語

(1)拐子湖地區(qū)下石炭統(tǒng)白山組火山巖可以被劃分出5個火山噴發(fā)旋回。其中第Ⅴ期噴發(fā)強度最大。

(2)根據(jù)巖石特征區(qū)域?qū)Ρ群颓秩氚咨浇M的巖漿巖鋯石U-Pb年齡為333.2 Ma,推斷研究區(qū)白山組火山巖地層時代為早石炭世(大約為Mississippian世Visean階)。

(3)巖石地球化學(xué)分析結(jié)果表明，研究區(qū)火山巖屬于富鋁鈣堿性火山巖系列，稀土元素配分呈右傾型，輕重稀土元素分餾明顯(ΣLREE/ΣHREE=313.8)，具有會聚型板塊邊界巖漿演化的特點。微量元素大洋中脊花崗巖標(biāo)準(zhǔn)化配分特征顯示，Ta、Nb、Ce、Hf、Sm、Zr、Y、Yb等元素含量低，并且低于標(biāo)準(zhǔn)洋脊花崗巖，具有火山弧花崗巖特征。

(4)塔里木板塊北緣下石炭統(tǒng)白山組火山巖的構(gòu)造背景為與俯沖匯聚板塊邊界有關(guān)的陸緣火山弧，構(gòu)造屬性為活動大陸邊緣。

致謝：衷心感謝長安大學(xué)1∶5萬礦產(chǎn)調(diào)查項目成員和西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室、長安大學(xué)成礦作用及其動力學(xué)實驗室的分析測人員，在他們的大力支持下論文研究數(shù)據(jù)得以順利完成。